dyse

, Author

en specielt udformet lukket kanal, der er beregnet til at fremskynde væsker eller gasser til en given hastighed og til at give strømmen en given retning. Dyser anvendes også som et middel til at opnå gas- eller væskestråler. Dysens tværsnit kan være rektangulært (todimensionel dyse), cirkulært (akse-symmetrisk dyse) eller have en anden form (rumlig dyse).

I en dyse øges væskens eller gassens hastighed v kontinuerligt i strømningsretningen fra en begyndelsesværdi v0 ved indgangen til en maksimal hastighed v = va ved udgangen. I kraft af energibevaringsprincippet sker der i takt med at hastigheden v stiger i en dyse samtidig et kontinuerligt fald i tryk og temperatur fra begyndelsesværdierne p0 og T0 til minimumsværdierne pa og Ta ved udløbsområdet. For at der kan opstå strømning i en dyse, er det således nødvendigt med et vist trykfald, dvs. betingelsen p0 > pa skal være opfyldt. Når T0 øges, stiger hastigheden i alle dele af en dyse på grund af den højere oprindelige potentielle energi. Så længe strømningshastigheden ikke er for høj, er de tilsvarende tryk- og temperaturændringer i dysen små; derfor er kompressibilitetsegenskaben – en væskes eller gas’ evne til at undergå en volumenændring som følge af tryk- eller temperaturændringer – ikke synlig, og det er muligt at se bort fra enhver variation i det strømmende medies massefylde p, dvs. at betragte massefylden som konstant. Under disse betingelser bør en dyse have en konvergerende form, hvis der ønskes en kontinuerlig stigning i hastigheden, da dystens tværsnitsareal F i kraft af kontinuitetsligningen ρvF = const må aftage omvendt proportionalt med stigningen i hastigheden. Med en yderligere forøgelse af v begynder mediets kompressibilitet imidlertid at vise sig, og densiteten falder i strømningsretningen. Konstantheden af produktet af de tre faktorer pvF under disse nye betingelser afhænger derfor af den hastighed, hvormed p falder, når v stiger. Når v < a, hvor a er den lokale lydudbredelseshastighed i det bevægelige medium, halter den hastighed, hvormed gassens massefylde falder, bagefter den hastighed, hvormed hastigheden stiger, og for at opnå acceleration, dvs. for at øge v, skal F derfor mindskes (figur 1) på trods af faldet i massefylden (subsonisk dyse). Men ved acceleration til hastigheder v > a falder densiteten hurtigere end hastigheden stiger; det bliver derfor nødvendigt i den supersoniske del at øge arealet F (supersonisk dyse). En supersonisk dyse, som også er kendt som en Laval-dyse, har således både en konvergent del og en divergent del (figur 2). Hastighedsvariationen gennem dysen afhænger af variationen af arealet af tværsnittet F med længden.

Figur 1. Diagram over en subsonisk dyse

Trykket ved udstrømningsområdet i en subsonisk dyse er altid lig med trykket pm i det omgivende medium ved udgangen (pa = pm). Trykkene er ens, fordi enhver afvigelse manifesterer sig som forstyrrelser, der forplanter sig inde i dysen med en hastighed svarende til lydens hastighed og bevirker en omlægning af strømningen, der udligner trykket ved dysens udstrømningsområde. Når p0 øges og pm forbliver konstant, øges først hastigheden va ved udstrømningsområdet i en subsonisk dyse, men efter at p0 har nået en vis værdi, bliver hastigheden konstant og ændrer sig ikke, når p0 øges yderligere. Dette fænomen betegnes som krisestrømning i dysen. Når krisestrømningen begynder, er gennemsnitshastigheden af udstrømningen fra en subsonisk dyse lig med den lokale lydhastighed (va = a) og kaldes den kritiske udstrømningshastighed. Den subsoniske dyse omdannes til en sonisk dyse. Alle gasparametre i dysens udstrømningsområde beskrives i dette tilfælde også som kritiske. For subsoniske dyser med en glat kontur er det kritiske trykforhold ved udledning af luft og andre diatomare gasser (P0/pm)cr ≈ 1,9.

Figur 2. Diagram af en supersonisk (Laval) dyse

I en supersonisk dyse beskrives det smalleste afsnit som kritisk. Den relative hastighed va/a i udstrømningsområdet i en supersonisk dyse afhænger kun af forholdet mellem udstrømningsarealet Fa og arealet af det kritiske afsnit Fa og er inden for vide grænser uafhængig af variationer i trykket p0 i dysens forreste del. Ved at ændre arealet af den kritiske sektion Fcr med en mekanisk anordning, mens arealet Fa forbliver uændret, er det derfor muligt at variere va/la. De justerbare dyser, der anvendes i teknologien, og som varierer gasudstrømningshastigheden, er baseret på dette princip. Trykket i udstrømningsområdet i en supersonisk dyse kan være lig med trykket i det omgivende medium (pa = pm), og et strømningsregime af denne type kaldes designstrømning; når trykkene ikke er lige store, kaldes regimet for off-design-strømning. I modsætning til en subsonisk dyse er trykforstyrrelserne, når pa ± pm, som forplanter sig med lydhastigheden, i overlydstrømningen og trænger ikke ind i overlydstykket; trykket pa er derfor ikke udlignet med pm. Regimer uden for konstruktionsregimet er karakteriseret ved dannelse af sjældenhedsbølger, når pa > pm, og chokbølger, når pa < pm. Når strømmen passerer gennem et system af sådanne bølger uden for dysen, bliver trykket lig med pm. Når trykket i atmosfæren i høj grad overstiger trykket i dysens udstrømningsområde, kan chokbølgerne bevæge sig ind i dysen, og så forstyrres den fortsatte stigning i hastigheden i den supersoniske del af dysen. Et kraftigt fald i trykket og temperaturen af en gas i en supersonisk dyse kan, afhængigt af sammensætningen af det strømmende medium, føre til fysisk-kemiske processer som kemiske reaktioner, fasetransformationer og termodynamiske overgange uden ligevægt. Der skal tages hensyn til disse processer ved beregning af gasstrømmen i dysen.

Dyser anvendes i vid udstrækning i teknologien i f.eks. damp- og gasturbiner, raketmotorer, luftdrevne jetmotorer, gaslasere, udstyr til magnetgasdynamik, vindtunneler, testbænke til gasdynamik, jetapparater og flowmålere. De anvendes også til fremstilling af molekylære stråler, inden for kemiteknik og i forskellige typer sprængningsprocesser. Dysen skal være konstrueret til at udføre den pågældende tekniske funktion. Dyser til vindtunneler skal f.eks. give en ensartet, parallel gasstrøm i udstrømningsområdet, mens de dyser, der anvendes i raketmotorer, skal sikre, at gasstrømmens momentum i udstrømningsområdet er så højt som muligt i forhold til de givne dimensioner. Disse og andre tekniske specifikationer har medført en kraftig udvikling af dyseteorien, som undersøger tilstedeværelsen af flydende og faste partikler i gasstrømmen samt processer som kemiske reaktioner uden ligevægt og overførsel af strålingsenergi. Computere er blevet anvendt i vid udstrækning i dette arbejde, både til at bestemme dysernes udformning og til at udvikle komplekse eksperimentelle metoder til undersøgelse af dyser.

Skriv et svar

Din e-mailadresse vil ikke blive publiceret.